JP2014508305A - 浸漬超音波による、ワークピースの非破壊試験装置 - Google Patents

Abstract

ワークピース（１）の円筒壁を終端させる横方向フランジを試験するために、装置は、試験対象フランジ（３、４）の相対的通過のための内部空間（３２）を間に残しながら、互いに対して位置合わせされた、超音波エミッタトランスデューサ（２１）およびレシーバトランスデューサ（２２）をその対向する枝状部（２６、２７）がそれぞれ担持し、その基部（２８）は可動制御アーム（２５）の末端で関節接合によって実装されている、Ｕ字型またはＣ字型あぶみ（２４）の形態の構造物（２３）を含む。装置はまた、閉鎖手段（４０）によって互いに組み立てられた２つの部品（３７、３８）を含む浸漬容器（３６）も含み、そのうちの１つの部品（３８）は、横方向フランジと係合して、他方の部品（３７）とともに、ワークピースの円筒壁まで前記フランジと重なる切り欠き（４１）を有する。

Description

本発明は、部品の非破壊超音波浸漬試験のための装置に関する。

本発明の優先的出願において、装置は、ジェットエンジンのファンケーシングなど、ターボ機械の管状部品を試験するように設計されているが、本発明はその他のタイプの部品にも使用され得ると理解される。

このタイプの部品は、軸対称であること、および隣り合う部品を接続するための横方向末端フランジを有する領域などの製造特異性を有することで知られており、接続領域は、管状部品のフランジ領域と円筒壁との間の様々な内半径および外半径を有し、ここを気流が流れ、これがフランジ領域などにしばしば厚み、穴、穿孔などの変化を有する、その主要領域を形成する。さらにケーシングは、炭素繊維の、炭素繊維プリフォームの、および全体の結合剤として作用する注入エポキシ樹脂の三次元織りによる、一体構造からなる織り複合材で作られる。

このような試験対象の管状部品の一例は、長手方向対称軸Ｘを有して高吸収複合材で作られた、ジェットエンジン用ファンの外部ケーシング１を表す図１に示されており、材料の構造検査向けに好ましく選択される超音波透過試験装置であるのは、このためである。

具体的には、ケーシング１は、様々な厚みを有し、ファンに侵入する空気のためのダクトを区切る、円筒壁２（主要領域）によって、ならびに壁２を終端させてこれに対して半径方向外向きに延在する２つの横方向末端フランジ３、４（フランジ領域）によって、画定される。横方向末端フランジは、各々がフランジ側の小さい内半径およびその反対側の大きい外半径を有する、それぞれの中間接続領域５および６を介して円筒壁２から突起している。他の部品との接続を可能にするために、締結部材（図示せず）を通すことができる穴７が、フランジ内にさらに形成されている。

加えて、そのサイズがさらに著しい（およそ１メートルの同軸長さで直径が約２メートルに達する）、横方向フランジを有するこれらの複合管状部品を試験するために、超音波浸漬試験装置が使用されるが、このような装置は、欠陥検査に関してその内部で、界面における織物の層の剥離または凝集性の喪失、穿孔および機械加工された部分の周りの微小亀裂、内包物、異物、樹脂のない乾燥領域または樹脂が過剰にある領域などを検出するのに、特に適している。

超音波浸漬技術を用いる、先行技術による試験装置９は、図２に部分的かつ模式的に示されており、超音波を発射および受信するためのトランスデューサを含む。超音波ビームを発射するトランスデューサ１０は、ロボットアーム１２の末端に位置する支持体１１上に実装されており、この例では管状部品を画定するケーシング１の外周に向かって配向されている。ビームを受信してエミッタトランスデューサ１０と同軸に位置合わせされたトランスデューサ１３は、別のロボットアーム１５の末端に位置する支持体１４上に実装されており、したがってケーシング１の内周に向かって配向されている。このため位置合わせされたトランスデューサ１０、１３の間には、複合材で作られたその構成壁が部品１に対する２つの同期したロボットトランスデューサの相対移動によって試験される、ケーシング１がある。

水噴射ノズル１６、１７は、当然ながらトランスデューサと同軸にアーム上に設けられており、トランスデューサを部品に「結合」するために連続水噴射によって超音波のビームの適切な伝達または伝播を容易にすることができるが、この部品は容器内、または特に液体を回収するように考えられている場所に配置されている。

この装置は採用される超音波技術に関して良好な分析結果を提供するものの、やはり具体的には部品の−特異性を有する−幾何形状に関連づけられた不都合を呈する。

実際、このような装置は、図２に示されるように正確に直角に作用するトランスデューサを用いて効果的に円筒壁を試験する一方で、これとは対照的に、ケーシングの外周側では、外部横方向フランジ３、４を有する領域、ならびにファンケーシング１の接続領域５、６、特に各フランジの小半径接続領域への最適なアクセス可能性を許容しない。

これは、ノズルおよび当該トランスデューサ（この例ではエミッタ）の支持体１１が嵩張りすぎて、円筒壁２の外周を直角に追従した後、当該接続部および横方向フランジの湾曲領域を追従するために十分に曲がりきれないということによる。図２の鎖線によって示されるように、アーム１２によって駆動されるトランスデューサ１０が当該領域３および５に対して直角に追従するために旋回し始めると、ノズル１６の支持体１１は円筒壁２に接触し、２つのトランスデューサの配置が不正確になり、結果的にプロファイルは正しく追従されず、試験は不完全となる。このため、上述の欠陥のいくつかは特定されない可能性がある。

この問題は、横方向フランジによってまったく邪魔されない、ノズル１７および別のトランスデューサ１３の支持体１４には発生しない。

また、フランジ領域および湾曲した接続部を追従するときにトランスデューサを同軸配置の状態に維持するため、２つのロボットアームを同期化することで、装置の自動化をより複雑にすることも、特筆すべきである。

さらに、１つの横方向末端フランジを試験した後に、上述の問題を伴ってもう一度反対側のフランジを試験する必要があるので、その特異性を備える管状ケーシング部品の試験そのものが比較的長時間である。

また、ファンケーシングを受容するため、およびノズルによって噴霧された水を回収するために、装置はかなり大きなサイズの容器を提供する必要がある。

本発明は、これらの不都合の解決策を提供することを目的とし、横方向末端フランジを有する領域ならびに内半径および外半径を有する接続領域など、管状部品の特異性を完璧に試験することをその設計によって可能にする、超音波浸漬試験の装置に関する。

この目的のため、超音波を発射および受信するための、試験対象のフランジの両側にそれぞれ位置合わせされるように配置されるよう設計された、制御可能なトランスデューサを含むタイプの、横方向末端フランジによって終端される円筒壁を有する管状部品の超音波浸漬試験の装置は、Ｕ字型またはＣ字型のあぶみ状の構造物を含み、対向する枝状部は、互いに位置合わせされてその間に試験対象のフランジが通過できる空間を形成する、エミッタトランスデューサおよびレシーバトランスデューサを担持し、基部は可動制御アームの末端で関節接合によって実装されている点で、注目に値する。

このため本発明により、部品のフランジおよび接続領域へのアクセス可能性は完全であり、これは前記装置に最初に設けられていた２つの独立した支持体の代わりに、トランスデューサを担持するまったく同じあぶみ型の（またはクレビス型の）構造物によって、可能とされる。この構造物は、あぶみの本来のＵ字型またはＣ字型によってサイズを縮小すること、適切な方法でプロファイルを追従することによってその枝状部に取り付けられたトランスデューサの間であぶみ内にフランジを導入すること、ならびにケーシングの湾曲した接続領域に相対するプロファイルに対して直角に位置合わせされた状態にトランスデューサを維持しながら構造物を旋回させることによって円弧状接続領域にアクセスすることを、可能にする。すると部品の材料およびその特異性の試験は、部品とあぶみとの間の接触がなくても最適となる。

その間にあぶみの枝状部が平行に係合する横方向フランジの全周は、構造物と部品との間の相対移動によって試験されることが可能であり、構造物の移動は、主要遷移領域まで円弧状接続領域を追従および試験することを可能にする。

また、そうすると前記装置の２つのロボットアームの代わりに、横方向フランジを試験するために、単一のロボットアームが使用される。

最後に、単純なＵ字型あぶみの形態の構造物を作成する簡素性が注目されるべきである。このような構造物は、各横方向フランジおよび結合する円弧状領域のプロファイルを追従できるようにする。

有利なことに、エミッタおよびレシーバトランスデューサは、あぶみ型構造物の対向する枝状部の末端に配置され、フランジまたはその他類似の大きな特異性を受容するため、およびフランジに接触することなくあぶみを移動させるために、あぶみの深さおよびひいては内部空間を最適化することができるようにする。

また、エミッタおよびレシーバトランスデューサは、それぞれの対向する枝状部に対して調整され得るように実装され、試験対象フランジの厚みに応じてその分離およびフォーカシングを適合させられるようにする。

装置の別の特徴によれば、トランスデューサを担持するあぶみ型構造物は、トランスデューサを互いに結合するための液体を収容し、試験対象フランジの上方に配置された、浸漬容器（または液槽）内に配置される。このため、トランスデューサの周りの、試験されるべき部品の領域の部分的な浸漬のみが、検査のために、およびトランスデューサの間の超音波の結合を保証するために必要とされ、ケーシングを保持するのに十分な大きさの特大タンク（２メートルに達する直径）またはそのための専用空間を必要としない。

たとえば、浸漬容器は、円筒壁まで到達する密封を伴ってフランジを跨いでおり、フランジの周囲の完全な試験を可能にするために、部品に対して移動することができる。

浸漬容器は好ましくは、その長手方向対称軸を中心に回転可能な管状部品に対して固定されており、前記浸漬容器はフランジの横方向外面と係合するように設計された転がり部材を有し、容器に対して部品を回転させやすくする。

浸漬容器は具体的には、閉鎖手段を用いて互いに接合された２つの部分を含むことができ、そのうち１つの部分は横方向フランジと係合して、別の部分とともに部品の円筒壁まで前記フランジを跨ぐための切り欠きを有し、接合された部分と部品との間にシールが設けられている。

固定浸漬容器に対して部品を回転させるために、制御可能な回転板が管状部品を回転させることができる。

有利なことに、管状部品の２つの横方向末端フランジを同時に試験することができるように、エミッタトランスデューサおよびレシーバトランスデューサならびにそれぞれの制御可能アームを有するあぶみの形態の２つの構造物が設けられる。前記装置の２つのロボットアームはこのためケーシングの２つの末端フランジおよび接続領域を試験するために同時に使用されることが可能であり、こうして試験時間を短縮する。２つのアームは、前記装置と同じやり方でケーシングの円筒壁または主要領域を試験するためにも使用される。

本発明の実現は、添付図面の図を参照して、容易に理解されるだろう。

本発明による装置によって試験されるべき軸対称部品の例示的実施形態の斜視図である。 先行技術による超音波試験装置の部分模式図である。 前記部品のフランジおよび接続部特異性を試験するように意図された、本発明による超音波試験装置の例示的実施形態の模式図である。 部品の当該フランジを試験する準備が整った、図３の装置のあぶみ型構造物および結合するトランスデューサの部分斜視図である。 トランスデューサによって考慮される部品のその領域のみの浸漬を提供する、装置の浸漬容器の例示的実施形態の斜視図である。 移動可能な試験対象部品上で固定されるように実装された、装置の浸漬容器を示す図である。 前記部品の当該フランジを検査するための装置のあぶみ型構造物の動作の段階を示す模式図である。 前記部品の当該フランジを検査するための装置のあぶみ型構造物の動作の段階を示す模式図である。 軸対称部品の２つの横方向末端フランジをそれぞれ同時に検査するための、装置の２つのあぶみ型構造物を模式的に示す図である。

図１に示される試験対象軸対称部品は、先に言及されたように、長手方向対称軸Ｘを有して高吸収複合材で作られた、ジェットエンジン用ファンの外部ケーシング１である。この高吸収性のため、超音波透過試験装置は、このような装置は金属にも適しているものの、構造検査向けに選択される。ケーシングはこれ以上詳細に記述されることはなく、これには同じ参照番号が付される。

これらフランジ３、４、接続領域５、６の全てを有するケーシング１は、その円筒壁２の厚み、穴７、およびその他の特異性が変化し、したがって、特にそれが構成される複合材が、試験される。

本発明による、図３に示される試験装置２０は、部分浸漬超音波タイプであり、より具体的には、横方向末端フランジ３、４およびこれらをケーシング１の主要領域または円筒壁２に接続する接続領域５、６を検査するように設計されている。この目的のため、装置は主に、２つの超音波トランスデューサ、すなわち１つはエミッタトランスデューサ２１、もう１つはレシーバトランスデューサ２２と、有利には、２つのトランスデューサ２１、２２を担持して、たとえば図２の実施形態に示されるようなロボットアームなどの可動制御アーム２５の末端に関節接合されているあぶみ２４の形態の共通支持構造物２３とを含む。

より具体的には、図３および図４に示されるように、あぶみ２４形状の構造物２３は、２つの対向する横方向枝状部２６、２７（Ｕ字型の場合、これらは平行である）と、そこから枝状部が突起して、枝状部と反対側の末端で関節接合（円筒形または球形）２９によって可動アーム２５に接続されている、基部（または末端）２８とを有する、Ｕ字（またはＣ字または類似の）形状である。エミッタトランスデューサ２１はネジ留め部材（ボルトまたはその他の手段）３０によって一方の枝状部２６に取り付けられ、反対にレシーバトランスデューサ２２は、やはりネジ留め部材３１によって他方の枝状部２７に取り付けられている。取り付けは、一旦配置されたらトランスデューサ２１、２２が、最適な測定のために、枝状部に対して直角なまったく同じ軸Ｙに沿って互いに対して位置合わせされるようになっている。トランスデューサ２１、２２はさらに、試験対象の横方向フランジと全体的に係合するように、トランスデューサ２１、２２とあぶみの基部２８との間で、あぶみ２４に最大内部空間３２を形成するなどのために、枝状部２６、２７の自由末端２６’、２７’の近傍に位置している。２つのトランスデューサの間の分離もまた、高性能試験（トランスデューサに重点を置いて）を実現するために、特にフランジの厚みに応じて、事前に画定される。

図３は、部分的に、この例ではフランジ３および接続領域５など、試験対象の特異性に対するそのトランスデューサを備えるあぶみ２４が最大限可能な効果を呈するために、三次元座標系内で通常の並進および回転を許容する、装置２０の可動ロボットアーム２５を示す。この図において、矩形３３は、接続３５によって制御パネル３３に接続されたトランスデューサ２１、２２の動作および設定と同様に、横方向フランジおよび結合する接続領域のプロファイルを最大限可能な程度に追従するために、アーム２５および構造物２３の様々な移動を入力およびプログラムするための、制御パネルを示す。後に説明されるように、その他の装置制御もまたこのパネル上に見いだされることが可能である。

また、あぶみ２４の形態の単一の支持構造物２３がエミッタトランスデューサ２１およびレシーバトランスデューサ２２の両方を担持するということのため、試験装置２０は、超音波の伝播を促進するために、トランスデューサを担持するあぶみ２４の周囲のみの試験対称領域（フランジまたは接続部）を浸漬する必要がある。

この目的のため、図３、図５、および図６に示されるように、浸漬容器（または液槽）３６（図３の鎖線で示される）が、内部に収容された適切な液体Ｌ（水）を用いてそのトランスデューサとともにあぶみ２４形状の構造物２３を部分的に浸漬するように、このフランジを跨いでケーシング１の当該フランジ３上に配置される。この容器３６は、必要に応じて切断されて折り畳まれ、図示された実施形態において、上面が開放しているが、トランスデューサの高さにおいて、あぶみ２４形状の構造物２３が内部に収容されている限りまったく異なる形状であってもよいおおむね平行六面体の形状を有する、シートまたはプレートから得られる。

具体的には、容器３６は２つの主要部分３７および３８からなり、そのうちの１つ３７はケーシング１の円筒壁２の内側に位置し、他方３８は外側に位置している。これら２つの部分３７、３８は、円筒壁２までフランジ３および接続領域５の周りに一緒に適合するように閉鎖手段４０によって互いに伸長されるように、一緒に接合されている。これを許容するために、外側部３８は、切り欠きと係合および適合できるように、それぞれの横側面４３の縁４２内に形成されて横方向フランジ３と補完的な形状の、切り欠き４１を有する。

容器３６とケーシング１との間の封止を保証するために、および容器から液体が漏れないことを保証するために、たとえば発泡体でできたシール４４が、外側部３８の縁４２に、および容器３６の内側部３７の横側面４６の対応する縁４５に、塗布される。このため、一旦フランジ３が切り欠き４１内に係合して、この例ではレバー４７を有するタイプの閉鎖手段４０を用いて容器の部分が合わせられると、シール４４は円筒壁２の両側を押し、所望の封止を提供する。

さらに、浸漬容器３６はまた、それぞれ外側部３８の長手方向側面４３に実装されたローラまたはキャスタなどの転がり部材４８を介して、横方向フランジ３の端面３’に支えられている。また、図示されていないが、転がり部材は、ケーシングの円筒壁２の内面と係合するために、容器の内側部３７上に設けられている。

その軸対称的形状のため、図３を参照して示される装置２０のケーシング１は、浸漬容器３６が固定されている一方で、移動可能なように実装されており、ローラ４８は、ケーシング１が回転する間にフランジの面３’の上を転がる。この目的のため、ケーシングは、長手方向対称軸Ｘが垂直になるように、図３において符号５０で模式的に示されて支持体上または地面Ｓ上で静止している、水平な回転板の上に配置される。横方向フランジ４は回転板５０の上に静止し、その一方で対向する横方向フランジ３は容器３６を受容する。発泡体シール４４は、ケーシングを損傷せず、−ゴムなどで作られた−ローラも損傷せず、これはさらに、試験対象のフランジの新たな区画をトランスデューサの範囲内に持って行くためにケーシングが回転する際に、ケーシング１のフランジ付き末端上で容器３６を所定位置に保持する。

上述の欠陥を特定するために超音波および部分浸漬技術によって横方向フランジおよび結合する接続領域を試験すること自体は、従来のやり方で行われるので、ここではこれ以上詳細には論じられない。動作のみが、図３、図７、および図８を参照して記載される。

このため、特に容器３６が一旦ケーシング１上に配置されて水で満たされ、トランスデューサの分離が部材３０、３１によって調整されてしまうと、この目的のためにプログラムされたロボットアーム２５は、図３に示されるようにあぶみ２４がフランジ３と対面するように、構造物２３を容器内に導入する。予めプログラムされたアーム２５の水平移動（ケーシングの軸Ｘに対して半径方向）は、２つのトランスデューサ２１、２２に、これらトランスデューサの軸Ｙをフランジに対して直角にして液体Ｌに浸漬されるフランジ３の両側をそれぞれ通過させるが、フランジはその間で漸進的にあぶみの内部空間３２内に係合する。

そのプロファイルが平坦なフランジ３はこのように試験され、あぶみが接続領域５に到達すると、構造物２３に関節接合されたロボットアーム２５は、図７に示されるように、相対したプロファイルを追従するために、あぶみを漸進的に旋回させる。空間３２は、フランジをあぶみに接触することなく係合させられるようになっている。あぶみ２４は、トランスデューサ２１および２２が円筒壁２に到達するまでこのように旋回し続けるが、図８に示されるように、軸Ｙは最適な試験のために相対する壁に対して直角なままである。あぶみのＵ字型はこのようにして壁２までフランジ３および接続領域５のプロファイルを追従することを可能にし、あぶみの内部空間３２は、フランジおよび接続部に接触することなくこれらを受容するのに役立つ。

上述のいずれかの欠陥を特定するために一旦フランジのこの区画が試験されると、あぶみ２４形状の構造物２３は、アーム２５の逆動によってフランジ３から引き出され、接続５１によって制御パネル３３に接続されてケーシング１を回転駆動する回転板５０を介して、フランジ３の次の区画が分析のために固定浸漬容器内に導入される。

この場合、フランジの試験は段階的に進行するが、しかし回転板を停止することなくフランジの連続試験を実行することも、考えられる。

図９に非常に概略的に示されるように、ケーシング１の両方の横方向末端フランジ−それぞれ上部フランジ３および下部フランジ４−の試験は、前記装置９の１２、１５などの２つのロボットアーム２５および２５’を用いて同時に実行されることが可能である。これは、トランスデューサ１０、１３の支持体１１、１４を用いて円筒壁２を試験するために、フランジの試験の前または後に使用される。トランスデューサを有する２つのあぶみ２４、２４’支持構造物２３、２３’はそれぞれのアームの末端に実装され、これらの各々は各フランジ上に設けられた（そしてこの図には示されていない）浸漬容器内に収容される。当然ながら、下部フランジは回転板上に静止しておらず、ケーシングは別の手段によって回転駆動される。このため、まったく同じ装置を用いて、ケーシング１の全プロファイル、およびひいては複合材も、単純にロボットアームの末端のトランスデューサ支持構造物を変更するだけで、完璧に試験される。

トランスデューサおよび結合する浸漬容器の両方を担持するあぶみの形態の支持構造物を有する解決法の利点は、具体的には：あぶみ形状によって支障なくケーシングのフランジ領域および接続領域に接近およびアクセスすることが可能なこと；有効で低コストな結合（単純な折り畳みおよび切り欠き容器）を保証すること；フランジを連続的にもしくは同時に試験するために、初期装置のロボットアームの一方または両方を使用すること；フランジ付きケーシングを完全に浸漬させての試験を回避すること；あぶみによって残された許容範囲によってフランジのプロファイルを容易に追従すること；あぶみ型構造物をアーム上に実装してそこから簡単かつ迅速にこれを取り外し、ケーシング上の容器についてもこれを破損することなく同様にすること；ならびにフランジおよび接続領域を迅速かつ確実に試験し、そうして超音波試験の品質を改善すること、である。

Claims (7)

1. 超音波を発射（２１）および受信（２２）するための、試験対象フランジの両側にそれぞれ位置合わせされるように配置されるよう設計された、制御可能なトランスデューサと、Ｕ字型またはＣ字型のあぶみ（２４）の形態の構造物（２３）と、を含むタイプの、横方向末端フランジ（３、４）によって終端される円筒壁（２）を有する管状部品の超音波浸漬試験の装置であって、対向する枝状部（２６、２７）はその末端に、互いに対して位置合わせされて、その間に試験対象フランジ（３、４）が通過できる空間（３２）を形成する、エミッタトランスデューサ（２１）およびレシーバトランスデューサ（２２）をそれぞれ担持し、基部（２８）は可動制御アーム（２５）の末端で関節接合によって実装されており、
   トランスデューサ（２１、２２）を担持するあぶみ（２４）型構造物（２３）が内部に配置されて、トランスデューサを互いに結合するための液体を収容する、浸漬容器（３６）を含み、前記容器は試験対象フランジ（３、４）の上方に配置される形状になっていることを特徴とする、装置。
2. エミッタ（２１）およびレシーバ（２２）トランスデューサが、その間の分離を調整するために、それぞれの対向する枝状部（２６、２７）に対して調整され得るように実装されている、請求項１に記載の装置。
3. 浸漬容器が、円筒壁（２）までの封止を伴ってフランジ（３、４）を跨ぎ、フランジの全周を試験するために管状部品（１）に対して移動可能である、請求項１または２に記載の装置。
4. 浸漬容器（３６）が、長手方向対称軸を中心に回転可能な管状部品（１）に対して固定されており、前記浸漬容器は、フランジの横方向外面と係合するように設計された転がり部材（４８）を有する、請求項３に記載の装置。
5. 浸漬容器（３６）が、閉鎖手段（４０）を用いて互いに接合された２つの部分（３７、３８）を含み、そのうち１つの部分（３８）は横方向フランジと係合して別の部分（３７）とともに部品の円筒壁まで前記フランジを跨ぐための切り欠き（４１）を有し、接合された部分と部品との間にシール（４４）が設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 回転板（５０）が部品を回転させる、請求項４に記載の装置。
7. 管状部品（１）の２つの横方向末端フランジ（３、４）を同時に試験することができるように、エミッタトランスデューサ（２１、２１’）およびレシーバトランスデューサ（２２、２２’）ならびにそれぞれの制御可能アーム（２５、２５’）を有するあぶみ（２４、２４’）の形態の２つの構造物（２３、２３’）が設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。

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